1.4 新型活塞销涂层

类金刚石石墨涂层（DLC=Diamond like Carbon）因其出色的减少磨损、摩擦和腐蚀的特性，在最近几十年中具有越来越重要的意义。这种涂层早就广泛应用于赛车，这种技术也推广应用于批量生产的轿车柴油机活塞销上。随着增压缸内直喷式汽油机爆发压力也就是活塞销表面压力的不断提高，DLC涂层也越来越广泛地应用于这种机型，以减小摩擦损失降低燃油耗、降低表面拉毛倾向延长运行时间以及减少磨损等。

（1）DLC涂层活塞销的特性

通常将DLC涂层理解为碳涂层大系列中的无定形碳涂层组，而这种涂层组又被划分成好几种类型，它们根据含氢量和用金属或非金属改进来区分，因此要注意的是，在DLC种类概念后面隐藏着众多具有不同特性的各种涂层系统。

在当前的研究范围内，DLC涂层归属于含氢的无定形碳涂层组（aC：H），其中碳不仅以sp²联结形式（例如石墨）出现，而且也以sp³联结形式（例如金刚石）出现，而含氢量则决定了碳的网状连接程度和所得到的涂层硬度。这些涂层是通过等离子体辅助的化学气相分离沉积形成的。借助于这种方法，成功地保持了足够低的涂敷温度，以避免基体材料发生变化。

活塞销所应用的涂层在DLC涂层内还具有一薄层黏合层，以及根据涂层种类的不同还有一层由含金属的含氢无定形碳涂层（aC：H：Me）组成的附加中间层。整个涂层的典型厚度在2～3μm范围内，而涂层的硬度则根据功能要求的不同处于1600～2500 HV0.002数量级，它们是借助于仪器进行渗透检验来测定的。按照VDI（德国汽车工程师协会）规程的黏合强度超过按标准要求的黏合强度等级HF4（HF=黏合强度）。在涂层状态下活塞销的表面粗糙度也处于活塞销标准的公差内。

（2）机外试验显示出DLC涂层的巨大潜力

为了预测DLC涂层低成本应用于活塞销的潜力，除了在发动机上运行之外，还进行机外摩擦和磨损试验，例如德国Federal-Mogul公司就应用Cam-eron-Plint TE77 线性磨蚀磨损试验台（图1-34），其中用一个配对材料套筒在试样上来回转动。这种磨损试验台相对于普通的试验装置具有很大的优势，它能直接测试被测零件要试验的相关区段，而无须使用完全一样的试样，因为首先DLC涂层技术取决于真实的表面特性，重要的是要试验批量生产的活塞销的相关区段。这种磨损试验台其他的优点是能够使用完全不同的机油、试验温度、压力和频率进行试验，当然对于在这里所介绍的试验结果，试验参数是保持不变的，所有的试验都不用机油润滑，以排除机油对摩擦性能的影响，并最好地模拟发动机运转中干摩擦的极端状况。试验温度大约为25℃。

为了与发动机运转结果具有可比性，在Cameron-Plint TE77 磨损试验台上总是用具有相同直径的配对材料套筒与无涂层和有DLC涂层活塞销相关区段进行试验，其中配对套筒的材料采用滚动轴承钢、铝活塞材料以及黄铜衬套材料，以便评估在现代缸内直喷式汽油机活塞-活塞销-连杆系统中，可能遇到的各种不同材料配对。

在进行线性磨蚀磨损试验期间不断地记录各种不同测量配对的摩擦系数。在经过大约500 m磨损路程之后摩擦数值曲线就达到稳定状态了，图1-35示出了正常运转状态时的平均摩擦系数。正如图中所示，DLC涂层与滚动轴承钢和铝活塞材料配对的摩擦数值降低70%以上。首先在钢的情况下，这可用因DLC涂层的共价化合（非极性化合）使其粘连的倾向更小来解释，而且从该图可以看到在所试验的DLC涂层中摩擦系数出现了明显的波动，借助于机外磨损试验台就能确定不同DLC涂层方案摩擦系数的波动。

为了查明磨损状况，用粗糙度测量仪记录探针扫描的表面轮廓，然后借助于开发的软件进行评定。图1-36所示出的是以当今批产发动机无涂层活塞销与铝活塞材料配对为比较基准的摩擦副零件的磨损结果。该图是用对数表示的活塞销试验区段的标准磨损结果。正如从图中所看到的那样，因使用了DLC涂层减少了磨损，这一方面可用DLC涂层具有相对较高的硬度来解释，另一方面也可用因这种涂层共价化合（非极性化合）而使其粘连的倾向更小来解释。另外，还可以看到，不仅无涂层方案而且DLC涂层方案与铝活塞材料配对呈现出最大的磨损量，这也许可归因于铝活塞材料中个别成分非常高的硬度，这是在活塞铝合金中存在的细小分布的硅颗粒和其他非常硬的金相组织，它们会引起摩擦配对件明显的磨蚀磨损。可以确定，在试样区段不同DLC涂层之间并无显著的差异。该图中配对件的标准磨损量同样也是用对数表示的，从中也能看到DLC涂层具有非常大的潜力，各自配对件的磨损至少减小了91%。用黄铜作为配对件的试验表明无论是在无涂层情况下还是在有DLC涂层方案时都呈现最大的磨损量，这也许可归因于与钢和铝相比黄铜的硬度相对较低。在与钢和铝配对件相配情况下，不同DLC涂层呈现明显分散的磨损量。可用所介绍的机外试验装置成本非常低地来查明不同方案的这种波动。

（3）DLC涂层在发动机运行中的摩擦学性能

表1-1中归纳了活塞销、连杆和活塞在不同试验中零件磨损状况的评价。这些结果来自于开发设计时发动机运行试验，其中活塞销必须使用DLC涂层，以免连杆小头孔和活塞中的销孔拉毛，并减少活塞-活塞销-连杆系统中的摩擦损失。

正如从表1-1中所看到的那样，在每种被评价的摩擦系统中，因活塞销有DLC涂层，各个零件的磨损都得到了改善，而且可以确定不同发动机的运行结果与机外试验台的试验结果具有很好的相互关系。由于活塞销改用了DLC涂层，不仅减少了活塞销的磨损，而且也减少了活塞和连杆的磨损，尤其是连杆小头孔中无黄铜衬套的摩擦系统的磨损明显减少，这就证实了DLC涂层的独特的工作能力。发动机试验运行证实，无DLC涂层会使活塞销较早地拉毛从而导致全部损坏，而DLC涂层能大大降低拉毛倾向，从而明显地其延长使用寿命。

在机外磨损试验中已确定活塞销使用DLC涂层后摩擦系数减小，并在发动机上已采用无衬套活塞、带衬套连杆和DLC涂层活塞销的结构进行过试验，根据发动机转速和机油温度的不同，其拖曳力矩比无涂层活塞销要减小几个百分点。

综上所述，对有涂层和无涂层批产活塞销相对不同配对材料的线性磨蚀磨损试验台试验以及在不同发动机上的运行试验结果证实，DLC涂层都显示出非常好的减少磨损和摩擦损失以及降低表面拉毛倾向的巨大潜力。